JP2017191815A - Optical frequency swept laser light source, and laser radar - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、光周波数掃引レーザ光源、特にＦＭＣＷ方式のレーザレーダに用いるのに適した光周波数掃引レーザ光源、及び該光周波数掃引レーザ光源を用いたレーザレーダに関する。 The present invention relates to an optical frequency swept laser light source, particularly an optical frequency swept laser light source suitable for use in an FMCW laser radar, and a laser radar using the optical frequency swept laser light source.
ＦＭＣＷ（Ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ−Ｍｏｄｕｌａｔｅｄ Ｃｏｎｔｉｎｕｏｕｓ Ｗａｖｅ：周波数変調連続波）方式のレーザレーダとは、従来のレーザレーダのように送信波として光パルスを用いるのではなく、周波数変調された連続波を使用して測距等を行うレーザレーダである。送信信号のピーク電力を低く抑えることができるので、送信器の半導体化が容易であるなどの従来のレーザレーダと比較して優れた特徴を有するため、精力的に研究が進められている。 FMCW (Frequency-Modulated Continuous Wave) type laser radar does not use an optical pulse as a transmission wave unlike conventional laser radar, but uses a frequency-modulated continuous wave for distance measurement. It is a laser radar which performs etc. Since the peak power of the transmission signal can be kept low, it has excellent characteristics as compared with conventional laser radars such that it is easy to make the transmitter semiconductor.
ＦＭＣＷ方式のレーザレーダでは、送信波と、対象物で反射した受信波とを混合し、混合の結果発生したビート周波数から受信波の時間遅れを算出し、この時間遅れを対象物との距離等に換算する。そのため、ＦＭＣＷ方式のレーザレーダでは、安定度の高い周波数変調されたレーザ光源が必要となる。 In the FMCW laser radar, the transmission wave and the reception wave reflected by the object are mixed, the time delay of the reception wave is calculated from the beat frequency generated as a result of the mixing, and this time delay is calculated as the distance to the object, etc. Convert to. For this reason, an FMCW laser radar requires a highly stable frequency-modulated laser light source.
周波数（波長）の安定化を意図した従来技術に係るレーザ光源として、特許文献１に開示されたレーザ光源が知られている。特許文献１に開示されたレーザ光源は、２つのレーザダイオードの合波出力の一部を分岐カプラにて分岐し、光ヘテロダイン検波回路で両波長の差を検出し、この波長差をＯ／Ｅ変換器、及び周波数カウンタで電圧に変換して基準電圧と比較器で比較し、制御回路によりこの比較出力に応じて一方のレーザダイオードの波長を制御している。このような構成により、特許文献１では、両発振光の波長間隔が基準電圧に応じた一定値に常時制御されるので、出力光の波長が安定化されるとしている。
A laser light source disclosed in
ところで、ＦＭＣＷ方式のレーザレーダでは、送信波として用いる周波数変調されたレーザ光源の周波数の線形性が、距離等の測定精度に大きな影響を及ぼす。従って、ＦＭＣＷ方式のレーザレーダに用いるレーザ光源は、掃引周波数のより高い線形性、安定度のより高いレーザ光源であることが要求される。この点、特許文献１に開示されたレーザ光源では、光ヘテロダインを用いて出力光の周波数の安定化を図っているものの、周波数を掃引する機能は有していない。
By the way, in the FMCW laser radar, the linearity of the frequency of a frequency-modulated laser light source used as a transmission wave greatly affects the measurement accuracy such as distance. Accordingly, the laser light source used for the FMCW laser radar is required to be a laser light source with higher linearity and higher stability of the sweep frequency. In this regard, the laser light source disclosed in
本発明は、上記問題に鑑みてなされたものであり、掃引周波数の線形性、及び安定度のより優れた光周波数掃引レーザ光源、及びレーザレーダを提供することを目的とする。 The present invention has been made in view of the above problems, and an object of the present invention is to provide an optical frequency swept laser light source and a laser radar that are more excellent in linearity of the sweep frequency and stability.
上記の目的を達成するために、請求項１に記載の光周波数掃引レーザ光源は、外部信号に基づいて周波数の制御が可能な周波数可変レーザ光源と、第１のレーザ光と第２のレーザ光とを干渉させて電気信号である差周波信号を生成する差周波生成部と、時間の経過に伴って周波数が変化する掃引電気信号を発生する掃引信号源と、前記差周波信号と前記掃引電気信号とに基づく位相同期制御により前記外部信号を生成する位相同期部と、を含み、前記周波数可変レーザ光源から出力されるレーザ光を出力光とするものである。
To achieve the above object, an optical frequency swept laser light source according to
また、請求項２に記載の発明は、請求項１に記載の発明において、前記第１のレーザ光が、前記周波数可変レーザ光源から出力されたレーザ光の一部であり、前記第２のレーザ光を発生させる基準レーザ光源をさらに含み、前記差周波生成部が、前記第１のレーザ光と前記第２のレーザ光とを合波して合波光を出力する合波部、及び前記合波光を受光しヘテロダイン干渉によって前記差周波信号を生成する光検出部を備えるものである。 According to a second aspect of the present invention, in the first aspect of the invention, the first laser light is a part of the laser light output from the frequency variable laser light source, and the second laser And a reference laser light source for generating light, wherein the difference frequency generation unit combines the first laser light and the second laser light to output a combined light, and the combined light. And a light detector that generates the difference frequency signal by heterodyne interference.
また、請求項３に記載の発明は、請求項１又は請求項２に記載の発明において、前記位相同期部が、前記差周波信号の位相と前記掃引電気信号の位相との差分を検出し誤差信号として出力する位相比較部、及び前記誤差信号に基づいて前記外部信号を生成する制御信号生成部を備えるものである。 According to a third aspect of the present invention, in the first or second aspect of the present invention, the phase synchronization unit detects a difference between the phase of the difference frequency signal and the phase of the swept electrical signal, thereby generating an error. A phase comparison unit that outputs the signal; and a control signal generation unit that generates the external signal based on the error signal.
また、請求項４に記載の発明は、請求項１〜請求項３のいずれか１項に記載の発明において、前記掃引信号源が、直接ディジタル信号発生器であるものである。
The invention according to claim 4 is the invention according to any one of
また、請求項５に記載の発明は、請求項１〜請求項４のいずれか１項に記載の発明において、前記掃引電気信号が、時間の経過に伴って周波数が三角波状または鋸歯状に変化するものである。 According to a fifth aspect of the present invention, in the first aspect of the present invention, the frequency of the swept electrical signal changes in a triangular wave shape or a sawtooth shape as time passes. To do.
また、請求項６に記載の発明は、請求項１に記載の発明において、前記周波数可変レーザ光源から出力されたレーザ光を２分岐する分岐部と、入力されたレーザ光に所定の遅延時間を付与する遅延部と、をさらに含み、前記分岐部で分岐された一方の分岐光が前記第１のレーザ光とされ、他方の分岐光が前記遅延部によって前記遅延時間が付与されて前記第２のレーザ光とされ、前記差周波生成部が、前記第１のレーザ光と前記第２のレーザ光とを合波して合波光を出力する合波部、及び前記合波光を受光しホモダイン干渉によって前記差周波信号を生成する光検出部を備えるものである。 According to a sixth aspect of the present invention, in the first aspect of the present invention, the laser beam output from the frequency variable laser light source is branched into two parts, and the input laser beam has a predetermined delay time. A delay unit to be provided, wherein one branched light branched by the branching unit is the first laser light, and the other branched light is provided by the delay unit with the delay time. And the difference frequency generation unit combines the first laser beam and the second laser beam to output a combined beam, and receives the combined beam and homodyne interference. A light detection unit for generating the difference frequency signal is provided.
また、請求項７に記載の発明は、請求項１又は請求項６に記載の発明において、前記位相同期部が、基準信号を発生する基準信号源、前記差周波信号の位相と前記基準信号の位相との差分を検出し誤差信号として出力する位相比較部、及び前記誤差信号と前記掃引電気信号とを重畳させて前記外部信号を生成する加算部を備えるものである。 According to a seventh aspect of the present invention, in the first or sixth aspect of the present invention, the phase synchronization unit includes a reference signal source that generates a reference signal, the phase of the difference frequency signal, and the reference signal. A phase comparison unit that detects a difference from the phase and outputs an error signal, and an addition unit that generates the external signal by superimposing the error signal and the sweep electric signal are provided.
また、請求項８に記載の発明は、請求項１、請求項６、及び請求項７のいずれか１項に記載の発明において、前記掃引電気信号が、時間の経過に伴って周波数が三角波状または鋸歯状に変化するものである。
The invention according to claim 8 is the invention according to any one of
また、請求項９に記載の発明は、請求項１、請求項６〜請求項８のいずれか１項に記載の発明において、前記掃引電気信号の周期に基づいて前記位相同期部による位相同期制御の開閉を制御する制御部をさらに含むものである。
The invention according to claim 9 is the invention according to any one of
上記の目的を達成するために、請求項１０に記載のレーザレーダは、請求項１〜請求項９のいずれか１項に記載の光周波数掃引レーザ光源と、前記光周波数掃引レーザ光源からのレーザ光を走査し周波数変調連続波方式の送信レーザ光として出力する走査部と、を含むものである。 In order to achieve the above object, a laser radar according to a tenth aspect includes an optical frequency swept laser light source according to any one of the first to ninth aspects, and a laser from the optical frequency swept laser light source. And a scanning unit that scans light and outputs it as a frequency-modulated continuous wave transmission laser light.
本発明によれば、掃引周波数の線形性、及び安定度の高い光周波数掃引レーザ光源、及びレーザレーダを提供することができるという効果を奏する。 According to the present invention, there is an effect that it is possible to provide an optical frequency swept laser light source and a laser radar with high linearity of the sweep frequency and high stability.
以下、図面を参照して、本発明を実施するための形態について詳細に説明する。 DESCRIPTION OF EMBODIMENTS Hereinafter, embodiments for carrying out the present invention will be described in detail with reference to the drawings.
［第１の実施の形態］
図１ないし図３を参照して、本実施の形態に係る光周波数掃引レーザ光源１０について説明する。光周波数掃引レーザ光源１０は、電気系の負帰還回路により周波数可変レーザ光源の出力レーザ光の周波数を制御する位相同期（Ｐｈａｓｅ Ｌｏｃｋｅｄ Ｌｏｏｐ：ＰＬＬ）制御部を基本的な構成として含んでいる。
[First Embodiment]
With reference to FIG. 1 thru | or FIG. 3, the optical frequency sweep
図１に示すように、光周波数掃引レーザ光源１０は、可変光源１２、基準光源１４、光カプラ（合波部）１６、光検出器１８、及び電気系回路２８を含んで構成されている。
As shown in FIG. 1, the optical frequency swept
可変光源１２は、周波数（波長）を可変とされたレーザ光源であり、本実施の形態では、注入電流（外部信号）により波長を変えることが可能なＳＯＡ（Ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ Ｏｐｔｉｃａｌ Ａｍｐｌｉｆｉｅｒ：半導体光増幅器）を用いたレーザ光源を採用している。
The
基準光源１４は、出力レーザ光の周波数が安定化された単一波長のレーザ光源である。
光カプラ１６は、可変光源１２からの光信号Ｌ１と、基準光源１４からの光信号Ｌ２とを合波する素子である。光検出器１８は、合波された光信号Ｌ１と、光信号Ｌ２とを混合（ミキシング）し、光ヘテロダイン干渉を発生させる。光検出器１８においてヘテロダイン検波されると、ダウンコンバートされた中間周波数のＲＦ（Ｒａｄｉｏ Ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ）電気信号Ｓｍが、光検出器１８から出力される。
The
The
図１に示すように、本実施の形態に係る電気系回路２８は、プリスケーラ２０、ＤＤＳ（Ｄｉｒｅｃｔ Ｄｉｇｉｔａｌ Ｓｙｎｔｈｅｓｉｚｅｒ：直接ディジタル信号発生器）２６、位相比較器２２、及び電流駆動回路（制御信号生成部）２４を備え、上記ＰＬＬ制御の負帰還部を構成している。
As shown in FIG. 1, an
プリスケーラ２０は、ＲＦ電気信号Ｓｍを分周してより低周波の分周電気信号Ｓｐに変換する分周器である。ＤＤＳ２６は、周波数掃引（変調）された基準掃引信号Ｓｄを発生する信号源である。
The
位相比較器２２は、分周電気信号Ｓｐの位相と、基準掃引信号Ｓｄの位相とを比較し、差分を誤差信号Ｓｅとして出力する。電流駆動回路２４は、誤差信号Ｓｅを用いて可変光源１２を制御する電流Ｉを生成する。
The
以上の構成を有する光周波数掃引レーザ光源１０では、ＰＬＬ制御により、可変光源１２の出力光Ｐｏの光掃引周波数が基準掃引信号Ｓｄの掃引周波数にロックされ、基準掃引信号Ｓｄの掃引周波数に従って出力光Ｐｏの光掃引周波数が変化する。
In the optical frequency sweep
次に、図２を参照して、ＦＭＣＷ方式のレーザレーダ（以下、単に「レーザレーダ」）について説明する。図２（ａ）は、レーザレーダ４２の送信、受信について説明するための図、図２（ｂ）は、ＦＭＣＷ方式を説明するための図、図２（ｃ）は、従来技術に係る周波数可変レーザ光源の特性を説明するための図である。
Next, an FMCW laser radar (hereinafter simply referred to as “laser radar”) will be described with reference to FIG. 2A is a diagram for explaining transmission and reception of the
図２（ａ）に示すように、レーザレーダ４２からは、時間ｔに対して鋸歯状に周波数（図２（ａ）では、「ｆ」と表記）変調された送信レーザ光ＰＴが出力される。送信レーザ光ＰＴが距離ｄだけ離れた対象物Ｏで反射されると、受信レーザ光ＰＲとなってレーザレーダ４２に戻り、受信される。なお、図２（ａ）に示す鋸歯状の送信レーザ光ＰＴ、受信レーザ光ＰＲは一例であって、他の波形、例えば三角波状の送信レーザ光ＰＴ、受信レーザ光ＰＲであってもよい。
As shown in FIG. 2A, the
送信レーザ光ＰＴと受信レーザ光ＰＲを重ねて描くと図２（ｂ）のようになり、受信レーザ光ＰＲは送信レーザ光ＰＴより遅延時間τだけ遅れる。この遅延時間τが距離ｄの情報を含んでおり、ＦＭＣＷ方式では、この距離ｄを送信レーザ光ＰＴと受信レーザ光ＰＲとの周波数差ｆｂを用いて算出する。 When the transmission laser beam PT and the reception laser beam PR are drawn in an overlapping manner, the result is as shown in FIG. 2B, and the reception laser beam PR is delayed by the delay time τ from the transmission laser beam PT. The delay time τ includes information on the distance d. In the FMCW method, the distance d is calculated using the frequency difference fb between the transmission laser light PT and the reception laser light PR.
以上のように構成されたＦＭＣＷ方式のレーザレーダでは、周波数変調された送信レーザ光ＰＴを発生させるためのレーザ光源、すなわち光周波数掃引レーザ光源が、測距等における精度の向上の観点から重要なキーコンポーネントとなる。すなわち、掃引周波数の線形性、及び安定度のより優れた光周波数掃引レーザ光源を実現することが重要である。 In the FMCW laser radar configured as described above, a laser light source for generating the frequency-modulated transmission laser light PT, that is, an optical frequency swept laser light source, is important from the viewpoint of improving accuracy in distance measurement and the like. It becomes a key component. In other words, it is important to realize an optical frequency swept laser light source with better sweep frequency linearity and stability.
しかしながら、ＳＯＡ等を用いた従来技術に係る波長可変レーザ光源の注入電流に対する出力光の周波数の特性は、図２（ｃ）に示すように周波数が電流に比例しない部分を含み、リニアリティ（線形性）の悪い特性を示すのが一般的であった。また、この電流−周波数の特性も温度等の環境変化の影響を受けて変動しやすいものであった。このような波長可変レーザ光源を用いてＦＭＣＷ方式のレーザレーダを構成する限り、測距等の精度の向上を望むのは困難であった。また、テーブル等に基づいて注入電流を制御するフィードフォワード方式で波長可変レーザ光源の周波数を制御する方法も考えられるが、このような方法では温度等の環境が変化した場合に周波数が安定しないという欠点があった。 However, the frequency characteristics of the output light with respect to the injection current of the tunable laser light source according to the prior art using SOA or the like include a portion where the frequency is not proportional to the current as shown in FIG. ) Was generally poor. Also, the current-frequency characteristics are likely to fluctuate under the influence of environmental changes such as temperature. As long as the FMCW laser radar is configured using such a wavelength tunable laser light source, it has been difficult to improve the accuracy of distance measurement and the like. In addition, a method of controlling the frequency of the wavelength tunable laser light source by a feed forward method that controls the injection current based on a table or the like is also conceivable, but such a method does not stabilize the frequency when the environment such as temperature changes. There were drawbacks.
そこで、本実施の形態に係る光周波数掃引レーザ光源では、出力レーザ光の周波数掃引制御を行う際、より低周波数の電気信号に変換すれば、数ｋＨｚオーダーの精度での制御が可能になることに着目した。そして、光信号の代わりに電気信号で制御が可能なように、光ヘテロダイン干渉によって光信号の周波数をダウンコンバートさせる。そして、ダウンコンバートの結果発生した差周波信号を、基準掃引信号源を備えた電気系の位相同期回路によりロックし、該基準掃引信号源の周波数を掃引することにより出力光の光周波数を掃引している。 Therefore, in the optical frequency sweep laser light source according to the present embodiment, when performing the frequency sweep control of the output laser light, if it is converted into a lower frequency electrical signal, the control with an accuracy of several kHz order becomes possible. Focused on. Then, the frequency of the optical signal is down-converted by optical heterodyne interference so that it can be controlled by an electric signal instead of the optical signal. Then, the difference frequency signal generated as a result of the down-conversion is locked by an electrical phase synchronization circuit having a reference sweep signal source, and the optical frequency of the output light is swept by sweeping the frequency of the reference sweep signal source. ing.
次に、図３を参照して、本実施の形態に係る可変光源１２、あるいは基準光源１４の具体的な構成例について説明する。図３（ａ）は、本実施の形態において、可変光源１２、あるいは基準光源１４として用いられるレーザ光源の一例であるレーザ光源８０を、図３（ｂ）は、他の一例であるレーザ光源８２を示している。レーザ光源８０、及びレーザ光源８２の各々は、一例として、光導波路を用いた光集積回路によって集積化されている。
Next, a specific configuration example of the variable
図３（ａ）に示すように、レーザ光源８０は、ＳＯＡ３０、ヒータ３２、光フィルタ３４、及びアウトカプラ３６を含んで構成されている。ＳＯＡ３０、光フィルタ３４、及びアウトカプラ３６の各々は、導波路４０で接続されている。
As shown in FIG. 3A, the
本実施の形態に係るＳＯＡ３０は、一端側が反射面Ｍ１とされ、他端側から光を出力する。上述したように、ＳＯＡ３０は、注入電流を変化させて波長を変化させることの可能な光源である。
In the
光フィルタ３４は、透過するレーザ光の波長を選択する素子であり、本実施の形態では、長さの異なる２本の導波路を用いた非対称マッハツェンダ型の光フィルタをされている。
The
アウトカプラ３６は、２本の導波路を光結合させて構成された、光フィルタ３４からのレーザ光を取り出すための素子である。アウトカプラ３６は、導波路の一端が開放されて形成された反射面Ｍ２を有している。アウトカプラ３６の出力レーザ光は、導波路３８を介して出力光Ｐｏとして出力される。
The out
ヒータ３２は、注入された電流に応じて発熱する素子であり、一例として、金属で形成された電極である。ヒータ３２は、例えばクラッドを介してコアである導波路４０の上部に配置され、導波路４０に熱を付与することにより、導波路４０の屈折率を変化させ、通過するレーザ光に対する等価的な光学長を変化させる。
The
以上のように構成されたレーザ光源８０では、反射面Ｍ１と反射面Ｍ２とでファブリペロー共振器が構成されており、該ファブリペロー共振器と光フィルタ３４とで選択された波長が、出力光Ｐｏとして出力される。
In the
図３（ｂ）を参照して、レーザ光源８０における波長の選択について説明する。図３（ｂ）において、曲線Ｒ１は上記ファブリペロー共振器の共振波長を示しており、曲線Ｒ２は、光フィルタ３４の透過特性を示している。図３（ｂ）に示すように、曲線Ｒ１で示される共振波長が光フィルタ３４で帯域制限され、曲線Ｒ２のピークに位置する波長λ０が選択され。出力光Ｐｏとして出力される。
With reference to FIG. 3B, wavelength selection in the
さらに、レーザ光源８０では、ヒータ３２に流す電流によって上記ファブリペロー共振器の共振特性を変えることができるので、出力光Ｐｏの周波数（波長）を変えることが可能となっている。
Further, in the
次に、図３（ｃ）を参照して、レーザ光源８２について説明する。図３（ｃ）に示すように、レーザ光源８２は、ＳＯＡ５０、ヒータ５２、光フィルタ５４、及びアウトカプラ５６を含んで構成されている。ＳＯＡ５０、光フィルタ５４、及びアウトカプラ５６の各々は、導波路５８、６０によって接続されている。
Next, the
ＳＯＡ５０は、ＳＯＡ３０と同様に、一端側が反射面Ｍ１とされ、他端側から光を出力する。
As with the
光フィルタ５４は、透過するレーザ光の波長を選択する素子であり、本実施の形態では、リング導波路を用いたリング共振器型の光フィルタを用いている。
The
アウトカプラ５６は、２つのループミラーを方向性結合器により結合させた構造を有するカプラであり、方向性結合器の部分が入射された光を反射する反射面Ｍ２の機能を有している。アウトカプラ５６からの出力レーザ光は、導波路６２を介して出力光Ｐｏとして出力される。
The out
ヒータ５２は、注入された電流に応じて発熱する素子であり、一例として、金属で形成された電極である。ヒータ５２は、例えばクラッドを介してコアである導波路５８の上部に配置され、導波路５８に熱を付与することにより、導波路５８の屈折率を変化させ、通過するレーザ光に対する等価的な光学長を変化させる。
The
以上のように構成されたレーザ光源８２では、反射面Ｍ１と反射面Ｍ２とでファブリペロー共振器が構成されており、該ファブリペロー共振器と光フィルタ５４とで選択された波長が、出力光Ｐｏとして出力される。
In the
さらに、レーザ光源８２では、ヒータ５２に流す電流によって上記ファブリペロー共振器の共振特性を変えることができるので、出力光Ｐｏの周波数（波長）を変えることが可能となっている。
Further, in the
本実施の形態に係る可変光源１２、あるいは基準光源１４は、上記のレーザ光源８０、あるいはレーザ光源８２を用いているので、周波数精度の高いレーザ光を出力することが可能となっている。
Since the variable
本発明に係るレーザレーダは、本実施の形態に係る光周波数掃引レーザ光源と、該光周波数掃引レーザ光源からのレーザ光を走査する走査部とを含む送信レーザ光源を備えて構成することができる。 The laser radar according to the present invention can be configured to include a transmission laser light source including the optical frequency swept laser light source according to the present embodiment and a scanning unit that scans the laser light from the optical frequency swept laser light source. .
以上、詳述したように、本実施の形態に係る発明によれば、掃引周波数の線形性、及び安定度のより優れた光周波数掃引レーザ光源、及びレーザレーダを提供することが可能となる。 As described above in detail, according to the invention according to the present embodiment, it is possible to provide an optical frequency swept laser light source and a laser radar that are superior in linearity and stability of the sweep frequency.
［第２の実施の形態］
図４を参照して、本実施の形態に係る光周波数掃引レーザ光源７０について説明する。
光周波数掃引レーザ光源７０は、可変光源及び基準光源として上述したレーザ光源８２を用い、レーザ光源の大部分を光導波路を用いた光集積回路技術により集積化した形態である。図４に示すように、光周波数掃引レーザ光源７０は、ＳＯＡ５０、５０、及び光集積回路７２を含んで構成されている。
[Second Embodiment]
With reference to FIG. 4, the optical frequency sweep
The optical frequency swept
図４に示すように、光集積回路７２は、可変光源１２ａ、基準光源１４ａ、光カプラ７４、フォトダイオード７６、及び電気系回路２８の各々を集積化して構成されている。電気系回路２８は、図１に示すものと同じ回路であるので、同様の構成には同じ符号を付して詳細な説明を省略する。
As shown in FIG. 4, the optical
基準光源１４ａは、基本的にレーザ光源８２と同じものである。従って、同様の構成には同じ符号を付して詳細な説明を省略する。なお、本実施の形態に係る基準光源１４ａでは、波長の制御を行わないので、ヒータ５２はなくともよいが、例えばフィードバック制御等によりさらに基準周波数（基準波長）を安定化させたいような場合には、設けてもよい。
The
可変光源１２ａは、ヒータ５２がヒータ７８に変更されている以外は、基本的にレーザ光源８２と同じものである。従って、同様の構成には同じ符号を付して詳細な説明を省略する。可変光源１２ａでは、電気系回路２８によるＰＬＬ制御を介してヒータ７８に流す電流Ｉを制御することにより、周波数が変えられるように構成されている。
The variable
可変光源１２ａからの光信号Ｌ１と、基準光源１４ａからの光信号Ｌ２とは、光カプラ７４によって合波され、合波された信号光がフォトダイオード７６で受光される。光カプラ７４、及びフォトダイオード７６の機能は、上述した図１における光カプラ１６、及び光検出器１８と同様である。ただし、本実施の形態に係る光カプラ７４は、２入力、２出力の２：２カプラとされており、一方の出力部がフォトダイオード７６に接続されると共に、他方の出力部から出力光Ｐｏが出力される。
The optical signal L1 from the variable
本発明に係るレーザレーダは、本実施の形態に係る光周波数掃引レーザ光源と、該光周波数掃引レーザ光源からのレーザ光を走査する走査部とを含む送信レーザ光源を備えて構成することができる。 The laser radar according to the present invention can be configured to include a transmission laser light source including the optical frequency swept laser light source according to the present embodiment and a scanning unit that scans the laser light from the optical frequency swept laser light source. .
以上のように構成された光周波数掃引レーザ光源でも、光信号の代わりに電気信号で制御が可能になるように、光ヘテロダイン干渉によって光信号の周波数をダウンコンバートさせる。そして、ダウンコンバートの結果発生した差周波信号を、基準掃引信号源を備えた電気系の位相同期回路によりロックし、該基準掃引信号源の周波数を掃引することにより出力光の光周波数を掃引している。従って、本実施の形態に係る発明によっても、掃引周波数の線形性、及び安定度のより優れた光周波数掃引レーザ光源、及びレーザレーダを提供することが可能となる。 Even in the optical frequency swept laser light source configured as described above, the frequency of the optical signal is down-converted by optical heterodyne interference so that it can be controlled by an electric signal instead of the optical signal. Then, the difference frequency signal generated as a result of the down-conversion is locked by an electrical phase synchronization circuit having a reference sweep signal source, and the optical frequency of the output light is swept by sweeping the frequency of the reference sweep signal source. ing. Therefore, the invention according to the present embodiment can also provide an optical frequency swept laser light source and a laser radar that are superior in linearity and stability of the sweep frequency.
さらに、本実施の形態に係る光周波数掃引レーザ光源では、構成の大部分を光集積回路を用いて集積化しているので、製造がより簡易になると共に、温度等の環境変動に対する出力光の周波数変動が抑制されるという効果がある。 Furthermore, in the optical frequency swept laser light source according to the present embodiment, since most of the configuration is integrated using an optical integrated circuit, the manufacturing becomes easier and the frequency of output light with respect to environmental fluctuations such as temperature. There is an effect that fluctuation is suppressed.
［第３の実施の形態］
図５ないし図７を参照して、本実施の形態に係る光周波数掃引レーザ光源１００について説明する。図５（ａ）は、光周波数掃引レーザ光源１００の構成の一例を示すブロック図であり、図５（ｂ）は、図５（ａ）中の乗算器１０６の具体的な構成を示すブロック図である。また、図６は、本実施の形態に係る掃引信号源の波形の一例を示す図であり、図７は、光周波数掃引レーザ光源１００におけるデッドタイム除去処理について説明する図である。
[Third Embodiment]
The optical frequency swept
図５（ａ）に示すように、光周波数掃引レーザ光源１００は、ＶＣＯ（Ｖｏｌｔａｇｅ Ｃｏｎｔｒｏｌｌｅｄ Ｏｓｃｉｌｌａｔｏｒ）１０２、光カプラ１３６、Ｙ分岐（分岐部）１３８、基準遅延素子（遅延部）１０４、乗算器１０６、及び電気系回路１３０を含んで構成されている。
As shown in FIG. 5A, an optical frequency swept
ＶＣＯ１０２は、電圧制御型の光周波数可変レーザ光源であり、入力された制御信号Ｓｃの電圧値（外部信号）に応じた光周波数の光信号Ｌを発生する。光信号Ｌの一部は光カプラ１３６で分岐され、出力光Ｐｏとして出力される。
The
Ｙ分岐１３８は、光信号Ｌを２分岐し、分岐された一方の光信号を基準遅延素子１０４に送る。また、光信号Ｌを２分岐した他方の光信号を、光信号Ｌ３として直接乗算器１０６に送る。
The
基準遅延素子１０４は、Ｙ分岐１３８で分岐された光信号Ｌの一方に予め定められた遅延を与え、光信号Ｌ４とする素子である。基準遅延素子１０４は、例えば設定された時間分遅延する長さの光ファイバを用いて作製することができる。
The
乗算器１０６は、光信号Ｌ３と光信号Ｌ４とを混合してホモダイン干渉を発生させ、ＲＦ電気信号Ｓｍを発生させる素子である。図５（ｂ）に示すように、乗算器１０６は、光カプラ１３２及び光検出器１３４を備えている。光カプラ１３２は、光信号Ｌ３と、光信号Ｌ４とを合波する。光検出器１３４は、光カプラ１３２で合波された合波光を受光してホモダイン干渉を発生させ、該ホモダイン干渉によって発生したＲＦ電気信号Ｓｍを出力する。従って、光カプラ１３２と光検出器１３４とを組み合わせた機能は、図１に示す光カプラ１６と光検出器１８とを組み合わせた機能と同じである。
The
電気系回路１３０は、ＢＰＦ（Ｂａｎｄ Ｐａｓｓ Ｆｉｌｔｅｒ）１０８、基準信号源１１０、位相比較器１１２、掃引信号源１１４、加算器１１６、スイッチ１１８、及びスイッチ制御回路（制御部）１２０を含んで構成されている。
The
ＢＰＦ１０８は、ＲＦ電気信号Ｓｍから所定の帯域の電気信号が抜き出された電気信号である差周波信号Ｓｆを生成するフィルタである。
The
基準信号源１１０は、差周波信号Ｓｆを追随させるための基準信号Ｓｒを発生させる信号源である。
The
位相比較器１１２は、差周波信号Ｓｆの位相と基準信号Ｓｒの位相と比較し、その差分を誤差信号Ｓｅとして出力する。
The
掃引信号源１１４は、時間に対して線形に周波数が変調された掃引信号Ｓｓを発生する信号源である。掃引信号における周波数の変化の形状は、鋸歯状、三角波状等、特に制限はないが、本実施の形態では、図６に示すように、三角波状に周波数が変調された掃引信号としている。
The
加算器１１６は、上記の誤差信号Ｓｅと掃引信号Ｓｓとを加算（重畳）する素子である。
The
スイッチ１１８は、後述するデッドタイム除去処理を行うために、一時的に電気系回路１３０によるフィードバックループを切断するスイッチである。
The
スイッチ制御回路１２０は、掃引信号源１１４と同期してスイッチ１１８のオン／オフ制御を行い、デッドタイム除去処理を行う制御回路である。スイッチ制御回路１２０は、同期のための同期信号Ｓａを掃引信号源１１４から受け取り、スイッチ１１８のオン／オフ制御を行うためのスイッチング制御信号Ｓｗをスイッチ１１８に送る。デッドタイム除去処理の詳細については後述する。
The
次に、光周波数掃引レーザ光源１００の動作について説明する。
Next, the operation of the optical frequency sweep
本実施の形態に係るＶＣＯ１０２からの光信号Ｌは、掃引信号源１１４によって、その光周波数が、図６に示すように、時間と共に線形に増加又は減少する。光信号Ｌは２分岐されて光信号Ｌ３、Ｌ４とされ、基準遅延素子１０４によって光信号Ｌ３とＬ４との間に光路差τｄ（時間差）が与えられる。光信号Ｌ３とＬ４とを合波し、光検出器１３４でホモダイン検波し、ＢＰＦ１０８で帯域制限すると、光路差τｄに応じた差周波信号Ｓｆが発生する。差周波信号Ｓｆに基づいて、電気系回路１３０によるＰＬＬ制御が行われることにより、差周波信号Ｓｆは、基準信号Ｓｒに追随する。すなわち、差周波信号Ｓｆの位相と基準信号Ｓｒの位相との位相差を示す誤差信号Ｓｅと、掃引信号Ｓｓとを重ね合わせた制御信号ＳｃによりＶＣＯ１０２の出力レーザ光の変調周波数が制御され、差周波信号Ｓｆが光路差τｄに一致するように制御される。換言すれば、光周波数掃引レーザ光源１００では、差周波信号Ｓｆを光路差τｄにひも付けることにより、差周波信号Ｓｆを一定に保っている。以上のような動作より、光周波数掃引レーザ光源１００では、ＶＣＯ１０２の出力レーザ光が線形に掃引されて、図７に示す送信レーザ光ＰＴで示されたような形状の出力光Ｐｏが出力される。
The optical signal L from the
次に、図７を参照して、光周波数掃引レーザ光源１００におけるデッドタイム除去処理について説明する。図７は、光周波数掃引レーザ光源１００をレーザレーダの送信レーザ光源として使用した場合の、送信レーザ光ＰＴと受信レーザ光ＰＲとを示している。
Next, with reference to FIG. 7, the dead time removal process in the optical frequency sweep
図２（ｂ）で説明したように、ＦＭＣＷ方式のレーザレーダでは、送信レーザ光ＰＴと受信レーザ光ＰＲとの間の周波数差ｆｂによって対象物Ｏとの距離を測定する。しかしながら、図７に示すように、測定区間Ｔ２では周波数差ｆｂが正常に測定できるものの、デッドタイムＴ１では周波数変調の傾きの切り換えのために周波数差ｆｂが正常に測定できない。 As described with reference to FIG. 2B, in the FMCW laser radar, the distance to the object O is measured by the frequency difference fb between the transmission laser beam PT and the reception laser beam PR. However, as shown in FIG. 7, although the frequency difference fb can be normally measured in the measurement section T2, the frequency difference fb cannot be normally measured in the dead time T1 due to switching of the slope of the frequency modulation.
そこで、光周波数掃引レーザ光源１００では、スイッチ１１８及びスイッチ制御回路１２０によってデッドタイム除去処理を行っている。すなわち、ＰＬＬ制御のロックのかかった（つまり、スイッチ１１８がオン（閉）の状態の）測定区間Ｔ２からデッドタイムＴ１へ移行するタイミングで、掃引信号源１１４からスイッチ制御回路１２０に同期信号Ｓａが送られる。同期信号Ｓａを受け取ったスイッチ制御回路１２０は、スイッチング制御信号Ｓｗをスイッチ１１８に送る。このスイッチング制御信号Ｓｗによりスイッチ１１８がオンからオフ（開）に切り替わり、ＰＬＬ制御のループが開放される。
Therefore, in the optical frequency swept
次に、ＰＬＬ制御のロックの切れたデッドタイムＴ１から測定区間Ｔ２へ移行するタイミングで、掃引信号源１１４からスイッチ制御回路１２０に同期信号Ｓａが送られる。同期信号Ｓａを受け取ったスイッチ制御回路１２０は、スイッチング制御信号Ｓｗをスイッチ１１８に送る。このスイッチング制御信号Ｓｗによりスイッチ１１８がオフからオンに切り替わり、ＰＬＬ制御のループが閉じられる。以上のような動作のデッドタイム除去処理を施すことによって、光周波数掃引レーザ光源１００を用いたレーザレーダの距離測定において、測定不能区間の測定値が混入することが抑制され、測定の精度を維持することが可能となる。
Next, the synchronization signal Sa is sent from the
本発明に係るレーザレーダは、本実施の形態に係る光周波数掃引レーザ光源と、該光周波数掃引レーザ光源からのレーザ光を走査する走査部とを含む送信レーザ光源を備えて構成することができる。 The laser radar according to the present invention can be configured to include a transmission laser light source including the optical frequency swept laser light source according to the present embodiment and a scanning unit that scans the laser light from the optical frequency swept laser light source. .
以上、詳述したように、本実施の形態に係る発明によれば、掃引周波数の線形性、及び安定度のより優れた光周波数掃引レーザ光源、及びレーザレーダを提供することが可能となる。 As described above in detail, according to the invention according to the present embodiment, it is possible to provide an optical frequency swept laser light source and a laser radar that are superior in linearity and stability of the sweep frequency.
なお、本実施の形態では、スイッチ１１８及びスイッチ制御回路１２０によるデッドタイム除去回路を用いてデッドタイム除去処理を行う形態を例示して説明したが、これに限られない。例えば、スイッチ１１８及びスイッチ制御回路１２０を用いず、得られた距離測定値に対する演算処理によってデッドタイム除去処理を行う形態としてもよい。また、距離測定値の精度等を勘案して、デッドタイム除去処理自体を行わない形態としてもよい。
In the present embodiment, an example in which dead time removal processing is performed using a dead time removal circuit using the
１０ 光周波数掃引レーザ光源
１２、１２ａ 可変光源
１４、１４ａ 基準光源
１６ 光カプラ
１８ 光検出器
２０ プリスケーラ
２２ 位相比較器
２４ 電流駆動回路
２６ ＤＤＳ
２８ 電気系回路
３０ ＳＯＡ
３２ ヒータ
３４ 光フィルタ
３６ アウトカプラ
３８、４０ 導波路
４２ レーザレーダ
５０ ＳＯＡ
５２ ヒータ
５４ 光フィルタ
５６ アウトカプラ
５８、６０、６２ 導波路
７０ 光周波数掃引レーザ光源
７２ 光集積回路
７４ 光カプラ
７６ フォトダイオード
７８ ヒータ
８０、８２ レーザ光源
１００ 光周波数掃引レーザ光源
１０２ ＶＣＯ
１０４ 基準遅延素子
１０６ 乗算器
１０８ ＢＰＦ
１１０ 基準信号源
１１２ 位相比較器
１１４ 掃引信号源
１１６ 加算器
１１８ スイッチ
１２０ スイッチ制御回路
１３０ 電気系回路
１３２ 光カプラ
１３４ 光検出器
１３６ 光カプラ
１３８ Ｙ分岐
Ｌ、Ｌ１〜Ｌ４ 光信号
Ｍ１、Ｍ２ 反射面
Ｐｏ 出力光
ＰＴ 送信レーザ光
ＰＲ 受信レーザ光
Ｏ 対象物
Ｓｍ ＲＦ電気信号
Ｓｐ 分周電気信号
Ｓｄ 基準掃引信号
Ｓｅ 誤差信号
Ｓｆ 差周波信号
Ｓｓ 掃引信号
Ｓｒ 基準信号
Ｓｃ 制御信号
Ｓａ 同期信号
Ｓｗ スイッチング制御信号
Ｉ 電流
ｄ 距離
ｆｂ 周波数差
τ 遅延時間
τｄ 光路差
DESCRIPTION OF
28
32
52
104
110
Claims (10)
第１のレーザ光と第２のレーザ光とを干渉させて電気信号である差周波信号を生成する差周波生成部と、
時間の経過に伴って周波数が変化する掃引電気信号を発生する掃引信号源と、
前記差周波信号と前記掃引電気信号とに基づく位相同期制御により前記外部信号を生成する位相同期部と、を含み、
前記周波数可変レーザ光源から出力されるレーザ光を出力光とする
光周波数掃引レーザ光源。 A variable frequency laser light source capable of controlling the frequency based on an external signal;
A difference frequency generator that generates a difference frequency signal that is an electric signal by causing the first laser beam and the second laser beam to interfere with each other;
A sweep signal source that generates a swept electrical signal whose frequency changes over time;
A phase synchronization unit that generates the external signal by phase synchronization control based on the difference frequency signal and the swept electrical signal;
An optical frequency swept laser light source that uses laser light output from the frequency variable laser light source as output light.
前記第２のレーザ光を発生させる基準レーザ光源をさらに含み、
前記差周波生成部が、前記第１のレーザ光と前記第２のレーザ光とを合波して合波光を出力する合波部、及び前記合波光を受光しヘテロダイン干渉によって前記差周波信号を生成する光検出部を備える
請求項１に記載の光周波数掃引レーザ光源。 The first laser beam is a part of the laser beam output from the frequency variable laser light source;
A reference laser light source for generating the second laser light;
The difference frequency generation unit combines the first laser beam and the second laser beam to output a combined beam, and receives the combined beam and outputs the difference frequency signal by heterodyne interference. The optical frequency sweep laser light source according to claim 1, further comprising: a light detection unit that generates the light frequency.
請求項１又は請求項２に記載の光周波数掃引レーザ光源。 The phase synchronization unit detects a difference between the phase of the difference frequency signal and the phase of the sweep electrical signal and outputs it as an error signal, and a control signal generation that generates the external signal based on the error signal The optical frequency swept laser light source according to claim 1 or 2.
請求項１〜請求項３のいずれか１項に記載の光周波数掃引レーザ光源。 The optical frequency sweep laser light source according to any one of claims 1 to 3, wherein the sweep signal source is a direct digital signal generator.
請求項１〜請求項４のいずれか１項に記載の光周波数掃引レーザ光源。 The optical frequency swept laser light source according to any one of claims 1 to 4, wherein the frequency of the swept electrical signal changes in a triangular wave shape or a sawtooth shape as time elapses.
入力されたレーザ光に所定の遅延時間を付与する遅延部と、をさらに含み、
前記分岐部で分岐された一方の分岐光が前記第１のレーザ光とされ、他方の分岐光が前記遅延部によって前記遅延時間が付与されて前記第２のレーザ光とされ、
前記差周波生成部が、前記第１のレーザ光と前記第２のレーザ光とを合波して合波光を出力する合波部、及び前記合波光を受光しホモダイン干渉によって前記差周波信号を生成する光検出部を備える
請求項１に記載の光周波数掃引レーザ光源。 A branching section for branching the laser beam output from the frequency variable laser light source into two branches;
A delay unit that imparts a predetermined delay time to the input laser beam, and
One branched light branched at the branching portion is the first laser light, and the other branched light is the second laser light that is given the delay time by the delaying portion,
The difference frequency generation unit combines the first laser beam and the second laser beam to output a combined beam, and receives the combined beam and generates the difference frequency signal by homodyne interference. The optical frequency sweep laser light source according to claim 1, further comprising: a light detection unit that generates the light frequency.
請求項１又は請求項６に記載の光周波数掃引レーザ光源。 A reference signal source that generates a reference signal; a phase comparison unit that detects a difference between the phase of the difference frequency signal and the phase of the reference signal and outputs the difference signal; and the error signal and the sweep electricity The optical frequency swept laser light source according to claim 1, further comprising an addition unit that superimposes a signal to generate the external signal.
請求項１、請求項６、及び請求項７のいずれか１項に記載の光周波数掃引レーザ光源。 The optical frequency swept laser light source according to any one of claims 1, 6, and 7, wherein the frequency of the swept electrical signal changes in a triangular wave shape or a sawtooth shape as time elapses.
請求項１、請求項６〜請求項８のいずれか１項に記載の光周波数掃引レーザ光源。 9. The optical frequency sweep laser according to claim 1, further comprising a control unit that controls opening and closing of phase synchronization control by the phase synchronization unit based on a cycle of the sweep electrical signal. 10. light source.
前記光周波数掃引レーザ光源からのレーザ光を走査し周波数変調連続波方式の送信レーザ光として出力する走査部と、
を含むレーザレーダ。 The optical frequency swept laser light source according to any one of claims 1 to 9,
A scanning unit that scans the laser light from the optical frequency sweep laser light source and outputs the laser light as a frequency-modulated continuous wave transmission laser light;
Including laser radar.
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